基于动静时空解耦的输变电吊装边缘端防碰撞方法及系统与流程

本发明涉及输变电工程吊装安全，尤其涉及基于动静时空解耦的输变电吊装边缘端防碰撞方法及系统。

背景技术：

1、随着输变电工程建设规模持续扩大，大型吊车吊装作业已成为变电站构架安装、输电铁塔组立等关键工序的核心作业形式。当前吊装防碰撞技术多采用超声波、毫米波雷达等单一传感器开展距离检测，仅基于物理距离设定固定阈值实现预警，存在检测覆盖盲区大、环境抗干扰能力弱的缺陷；部分多传感器融合方案仅对多源数据进行简单叠加处理，缺乏统一的高精度时间同步机制，导致数据融合精度不足，难以适配复杂作业场景的精细化感知需求。

2、与此同时，现有防碰撞系统普遍采用集中式云端处理架构，数据传输延迟高，难以满足吊装作业毫秒级响应的安全要求；且未引入动静时空解耦机制，无法区分动态移动目标与静态固定障碍物的风险等级，误报与漏报问题突出。此外，现有技术未充分考虑输变电场景强电磁干扰、高压电气安全距离等特殊要求，传感器可靠性与预警策略的场景适配性不足，难以在保障安全的同时兼顾作业效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有输变电吊装防碰撞技术的不足，提供一种基于动静时空解耦的输变电吊装边缘端防碰撞方法及系统，解决现有技术中单一传感器存在检测盲区、多传感器数据时空同步精度低、动静障碍物混同处理导致风险评估失准、强电磁环境下系统鲁棒性差、集中式云处理实时性不足的技术问题，在边缘端实现高精度、低延迟、高适应性的吊装防碰撞预警，兼顾作业安全与施工效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于动静时空解耦的输变电吊装边缘端防碰撞方法，包括以下步骤：

3、s1、构建多源异构传感器阵列，将毫米波雷达、双目视觉相机、激光雷达与超声波传感器分别部署于吊车的吊臂节段、吊钩组件及吊车本体的预设关键点位，采集输变电吊装作业空间的环境感知数据；

4、s2、执行多传感器时间同步处理，基于精确时间协议ptp结合硬件触发同步机制，为各传感器的感知数据添加统一时钟域的时间戳，实现微秒级时间对齐；

5、s3、构建动静时空解耦模型，将作业感知空间划分为动态时空域与静态时空域；在动态时空域内通过滤波算法提取动态目标的运动状态与连续运动轨迹，在静态时空域内通过特征拟合算法提取静态障碍物的几何轮廓特征；

6、s4、执行多传感器自适应加权融合处理，基于传感器可靠性评估模型动态计算各传感器感知数据的融合权重，完成多源感知数据的加权融合；

7、s5、构建时空碰撞风险预测模型，基于动态目标的轨迹预测结果与静态障碍物的安全包络面，计算预设未来时间窗口内吊装设备与障碍物的碰撞概率，输出对应等级的防碰撞预警信号。

8、优选的，步骤s1具体包括：在吊臂各节段的端部及侧部分别部署毫米波雷达与激光雷达，用于远距离大范围障碍物测距与三维点云采集；在吊钩组件处部署双目视觉相机与超声波传感器，用于近场吊物周边环境的视觉识别与近距离盲区补偿检测；在吊车本体驾驶室顶部部署主传感器节点，用于全局环境感知与多源数据汇聚；各传感器按照预设采样频率独立采集环境感知数据，覆盖输变电吊装作业的全作业空间范围。

9、优选的，步骤s2具体包括：

10、以边缘计算主节点为主时钟节点，各传感器为从时钟节点，通过精确时间协议ptp交互sync报文、follow_up报文与delay_req报文，计算时钟偏移量与链路传输延迟；其中时钟偏移量计算公式为：

11、；

12、式中，为主时钟节点发送sync报文的时间戳，为从时钟节点接收sync报文的时间戳，为从时钟节点发送delay_req报文的时间戳，为主时钟节点接收delay_req报文的时间戳；基于时钟偏移量修正各传感器的本地时钟，并配合硬件触发脉冲信号约束采样起始时刻，实现多传感器数据的微秒级时间对齐，同步误差控制在10μs以内。

13、优选的，步骤s3中动态时空域的目标提取具体包括：

14、针对作业空间内的移动人员、移动作业设备等动态目标，采用扩展卡尔曼滤波ekf进行运动状态估计；构建动态目标的状态向量为：

15、；

16、式中，为目标在三维空间的位置坐标，为目标的三维运动速度，为目标的三维运动加速度，k为当前采样时刻；

17、状态转移方程为：

18、；

19、式中，f为系统状态转移矩阵，为控制输入矩阵，为k时刻的系统控制输入向量，为服从零均值高斯分布的过程噪声向量；通过迭代状态估计输出动态目标的连续运动轨迹。

20、优选的，步骤s3中静态时空域的特征提取与时空关联具体包括：

21、采用迭代最近点icp算法对多帧静态点云数据进行配准与拼接，构建输变电作业场景的静态障碍物三维栅格地图；通过随机抽样一致ransac算法对三维点云进行平面与柱面特征拟合，提取输电杆塔、变电构架、固定式建筑物的几何轮廓参数，生成静态障碍物的三维安全包络面；基于匈牙利算法实现动态目标运动轨迹与静态障碍物安全包络面的时空关联匹配，识别二者在时间维度与空间维度上的潜在重叠区域，将重叠区域标记为高风险碰撞候选区域。

22、优选的，步骤s4中，各传感器感知数据的融合权重计算公式为：

23、；

24、式中，为第i个传感器的融合权重，为第i个传感器的历史可靠性系数，为第i个传感器的预测一致性系数，为第i个传感器的环境适应性参数，分别为对应项的预设加权系数且满足；

25、基于计算得到的融合权重对多源感知数据进行加权融合，得到统一的环境感知结果。

26、优选的，步骤s4的自适应加权融合处理还包括：

27、s41、传感器可靠性评估：统计各传感器在不同电磁强度、不同光照与天气条件下的历史检测准确率，构建环境-可靠性映射矩阵，实时匹配当前环境参数输出对应可靠性系数取值；

28、s42、电磁环境自适应滤波：针对输变电场景的强电磁干扰，采用自适应卡尔曼滤波算法，基于实时噪声统计特性动态调整滤波增益k，增益更新公式为：

29、；

30、式中，为状态先验估计协方差矩阵，h为系统观测矩阵，为k时刻的观测噪声协方差矩阵；

31、s43、异常数据剔除：基于3σ准则与马氏距离联合检测感知数据中的异常值，采用鲁棒估计方法剔除异常数据后执行加权融合计算。

32、优选的，步骤s5具体包括：

33、基于动态目标的当前状态向量与状态转移方程，预测未来时间窗口t内的轨迹点集；

34、将静态障碍物安全包络面拓展为三维空间体元集合，通过积分计算动态目标轨迹落入体元集合内的概率，得到碰撞概率，计算公式为：

35、；

36、式中，为t时刻目标位置的概率密度函数，为静态障碍物安全包络面对应的空间体积；

37、根据碰撞概率的预设阈值输出分级预警信号。

38、优选的，方法的全部计算步骤在吊车本地边缘端计算单元上执行，单轮感知-融合-预警的处理延迟小于100ms。

39、优选的，基于动静时空解耦的输变电吊装边缘端防碰撞系统，包括：

40、多传感器感知单元，包含部署于吊臂节段、吊钩组件及吊车本体的毫米波雷达、双目视觉相机、激光雷达与超声波传感器，用于采集输变电吊装场景的环境感知数据；

41、时间同步单元，基于精确时间协议ptp与硬件触发机制实现多传感器感知数据的微秒级时间戳对齐；

42、动静时空解耦单元，用于将作业感知空间划分为动态时空域与静态时空域，分别提取动态目标的运动轨迹与静态障碍物的几何特征；

43、自适应加权融合单元，基于传感器可靠性系数、预测一致性系数与环境适应性参数动态计算融合权重，执行多源感知数据的加权融合处理；

44、边缘端计算与预警单元，内置时空碰撞风险预测模型，用于计算预设未来时间窗口内的碰撞概率并输出对应等级的防碰撞预警信号。

45、本发明相对于现有技术的优点和有益效果是：

46、1.通过多传感器阵列互补覆盖与自适应加权融合算法，结合动静时空解耦的精细化分类处理，有效消除作业空间检测盲区，大幅提升复杂输变电环境下的障碍物检测精度。

47、2.全流程算法在吊车本地边缘端部署执行，有效避免云端数据传输延迟，满足吊装作业高实时性的安全防护需求，保障预警响应的时效性。

48、3.区分动态与静态障碍物的风险特性，结合时空碰撞概率预测实现分级预警，有效降低系统误报率与虚警率，减少无效报警与不必要的作业中断。

49、4.针对输变电强电磁场景设计自适应卡尔曼滤波机制，可根据环境参数动态调整传感器权重与滤波增益，在复杂天气、光照变化及电磁干扰环境下保持稳定的检测性能。

50、5.采用ptp协议结合硬件触发的时间同步方案，实现高精度的多传感器数据时间对齐，为多源感知数据的高精度融合提供可靠的时空基准。

51、6.充分适配输变电作业的特殊安全要求，可针对不同电压等级的输变电设备匹配对应安全包络与防护策略，在保障电气安全距离的前提下最大化作业可用空间。

52、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。